[發(fā)明專利]一種基于Matlab GUI模擬落球法測液體粘滯系數(shù)實驗的仿真方法

在審

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• 申請日: 2022-10-31
• 公開（公告）號: CN115455868A
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發(fā)明（設計）人: 王恒通;劉毅恒;盛文博;王嘉浩
• 申請（專利權）人: 陜西師范大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G09B23/12;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安佩騰特知識產權代理事務所(普通合伙) 61226
• 代理人: 曹宇飛

本申請涉及一種基于Matlab GUI模擬落球法測液體粘滯系數(shù)實驗的仿真方法，其于Matlab GUI開發(fā)的能夠真實模擬落球法測液體粘滯系數(shù)實驗過程，可以根據不同直徑小球勻速下落起點探究模塊能夠確定小球在重力、粘滯阻力以及浮力三個力的作用體系下進入勻速下落狀態(tài)的起始時刻、起始位置以及起始速度(勻速運動區(qū)間的平均速度)，且模擬過程精確，學生可以直觀地看到小球下落的動態(tài)演示全過程，同時對液體的溫度、液體所乘放容器的直徑可以進行調節(jié)探索實驗結果變化規(guī)律，加深了學生對實驗內容的理解，避免了學生自主觀察帶來的誤差，讓學生開拓眼界、擴展知識。

技術領域

本發(fā)明屬于虛擬仿真試驗技術領域，特別涉及一種基于Matlab GUI模擬落球法測液體粘滯系數(shù)實驗的仿真方法。

背景技術

液體的粘滯性在生產和生活中有著廣泛的應用，例如：機械的潤滑、液體的輸送、輪船和飛機的航行以及生物體液的循環(huán)、藥物代謝等過程都與流體的粘滯性有著很大的關聯(lián)性。因此，液體粘滯系數(shù)的測量非常重要，根據液體粘滯系數(shù)的大小對應有不同的測量方法。對于粘滯系數(shù)較大、透明或半透明的液體通常可采用落球法來測定，落球法測液體粘滯系數(shù)也是各高校相關物理實驗課程中常規(guī)開設的基礎性實驗之一。

不同學校在開設落球法測量液體粘滯系數(shù)實驗時選擇的實驗形式也有所不同，主要有：單管落球法、多管落球法或變溫單管落球法。但是考慮實驗經費、實驗空間以及實驗時間等因素，往往只選擇其中一種方法開展實驗，導致探究實驗參數(shù)單一的局限性；例如：單管落球法和變溫單管落球法，其管徑單一、無法考慮溫度的影響、無法解釋無線廣延條件修正等；多管落球法，無法考慮溫度影響，實驗管徑固定分布，實驗管數(shù)較少且不可調節(jié)。同時在實驗過程中，由于肉眼觀測的局限性，學生無法觀察和確定小球的下落時間以及小球勻速運動的起始時間和起始位置。傳統(tǒng)的落球法測液體粘滯系數(shù)時若涉及到無限廣延條件的修改，均直接給出修正公式或采用多管落球法對修正公式進行驗證，學生并不能通過多次實驗數(shù)據自行擬合或總結公式。

由于上述傳統(tǒng)落球法存在的局限性，導致在實驗過程中往往會存在測量繁瑣且難度大，成本增加、實驗耗時長等問題。因此，開發(fā)一種利用軟件模擬落球法測液體粘滯系數(shù)的仿真實驗是非常必要的。

發(fā)明內容

針對上述傳統(tǒng)落球法存在的局限性，導致實驗過程中測量繁瑣且難度大、成本增加、實驗耗時長，可探究實驗變量單一等問題；本發(fā)明提出了基于Matlab GUI模擬落球法測液體粘滯系數(shù)實驗的仿真方法。

本申請所采用的技術方案是：

一種基于Matlab GUI模擬落球法測液體粘滯系數(shù)實驗的仿真方法，其包括以下步驟：

(1)利用MATLAB平臺創(chuàng)建落球法測液體粘滯系數(shù)實驗的運行界面，構建圖片數(shù)據庫；

(2)設置多個實驗運行界面的切換以及多個實驗儀器選擇的切換；

(3)實驗器材模型建構；

(4)結合液體粘滯系數(shù)和密度隨溫度變化的公式，確定出實驗小球下落速度和位移隨時間的變化以及實驗小球在測量區(qū)間勻速下落所用的時間；

其中，η是液體的粘滯系數(shù)Pa·S，d為實驗小球的直徑m，g為重力加速度m/s²，ρ₁為實驗小球的密度Kg/m³，ρ₂為實驗液體的密度Kg/m³，D為管徑m，l為實驗小球起點到終點之間的測量間距m；v是實驗小球的下落時的速度m/s，s是實驗小球下落距離m，t為實驗小球勻速下落的測量時間s，T為所測液體溫度K；m為實驗小球的質量，g；v₀為實驗小球的收尾速度，m/s；